人機界面(HMI)是系統(tǒng)和用戶之間進行交互和信息交換的媒介，它實現(xiàn)信息的內(nèi)部形式與操作員可以接受形式之間的轉(zhuǎn)換。HMI作為人機交互的窗口普遍應用于棉紡、塑料機械、化工、包裝等行業(yè)的機械設備中。近年來，隨著計算機控制裝置在控制儀表基礎上發(fā)展起來以后，自動化控制手段也越來越豐富。

    可編程邏輯控制器(PLC)是專門為工業(yè)自動控制而設計的裝置，它具有功能強、編程簡單、可靠性高、使用方便等優(yōu)點，在現(xiàn)代工業(yè)自動控制中得到廣泛應用。但單純的PLC控制系統(tǒng)，難以實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)控和工藝參數(shù)的現(xiàn)場設置和修改。對于小型的工業(yè)自動控制系統(tǒng)，可用HMI與PLC組成結構緊湊的現(xiàn)場監(jiān)控型自動控制系統(tǒng)，可提高系統(tǒng)的實時管理和操作效率。

    液位是工業(yè)生產(chǎn)中最常見的控制參數(shù)之一，液位控制是過程控制中的典型案例，液位控制的好壞直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，甚至是產(chǎn)品制造成敗的關鍵，所以液位控制具有廣泛的實際應用價值和應用前景。在液位控制系統(tǒng)中，將HMI與PLC結合起來，操作人員可在人機界面上實現(xiàn)對現(xiàn)場的過程控制，操作簡便易學、方便直觀，大大提高了系統(tǒng)的可靠性，而且能隨時動態(tài)顯示現(xiàn)場的重要信息，方便操作人員正確掌握現(xiàn)場的運行狀況，及時調(diào)整相關參數(shù)，使系統(tǒng)盡可能地工作于最佳狀態(tài)。

    基于此，燕山大學機電實驗室自主設計了1套液位監(jiān)控實驗系統(tǒng)，為學生開設一門綜合型的實驗項目，以進一步增強學生的實踐動手能力。

1 系統(tǒng)硬件組成及功能特點

    實驗系統(tǒng)是基于HMI與PLC的液位控制系統(tǒng)，以PLC作為控制核心，配以液位傳感器、電磁閥及微機、觸摸屏、水泵、儲水箱、上下水箱等。通過PLC控制水泵的開關，進而保證液位可以按照控制要求達到設定水位，利用人機界面對水槽液位系統(tǒng)進行實時監(jiān)控。系統(tǒng)的PLC選用實驗室現(xiàn)有的日本三菱公司的FXIN一40MR，其配置點為24點輸入、16點輸出。人機界面選用昆侖通態(tài)的TPC7062KS觸摸屏，運用MCGS軟件完成系統(tǒng)的組態(tài)。液位檢測采用防水設計的電容式NPN常開型接近開關。輸出選用發(fā)光二極管及蜂鳴器報警。系統(tǒng)控制方框圖見圖1。

圖1液位控制系統(tǒng)方框圖

    控制系統(tǒng)具有手動／自動兩種控制方式，可以根據(jù)生產(chǎn)的需要將液位分為3段來設定，并分段顯示。在自動控制時，當液位為最低極限時，系統(tǒng)會自動啟動水泵對水箱加水，操作人員可以設定液位值，液位到達設定值時發(fā)出聲光報警，并發(fā)出停泵信號，同時操作人員可以通過觸摸屏上的“確認”按鈕解除報警聲光。在手動控制時，在最高位時不能啟泵，最低位時不能停泵，其余任何時刻操作人員都可以對水泵進行手動開啟和停止動作。

2 HMI畫面組態(tài)過程

    人機界面產(chǎn)品由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分包括處理器、顯示單元、輸入單元、通信接口、數(shù)據(jù)存儲單元等。HMI軟件一般分為兩部分，即運行于HMI硬件中的系統(tǒng)軟件和運行于PC機Windows操作系統(tǒng)下的畫面組態(tài)軟件。使用者都必須先使用HMI的畫面組態(tài)軟件制作“工程文件”，再通過PC機和HMI產(chǎn)品的串行通信口，把編制好的“工程文件”下載到HMI的處理器中運行。本實驗系統(tǒng)用的是MCGS畫面組態(tài)軟件，用戶在MCGS組態(tài)環(huán)境中完成菜單設計、設備連接、動畫設計、編寫控制流程等全部組態(tài)工作，在運行環(huán)境中完成對工程的控制工作。

    在選擇好相應硬件設備后，用MCGS組態(tài)軟件對該系統(tǒng)進行組態(tài)，具體組態(tài)過程如下：

(1)建立新工程。打開MCGS組態(tài)環(huán)境，定義工程項目名稱，指定存盤數(shù)據(jù)庫文件的名稱及存盤數(shù)據(jù)庫，設定動畫刷新的周期。

(2)制作工程畫面。工程畫面的制作在用戶窗口內(nèi)完成，根據(jù)液位系統(tǒng)中所用到的硬件設備，在MCGS的設備工具箱中選取，然后放到合適的位置，讓系統(tǒng)中的物料流動，構成一個閉合回路，以實現(xiàn)與操作人員之間的交互式界面。圖2為液位控制組態(tài)畫面圖。

圖2液位控制組態(tài)畫面圖

(3)定義數(shù)據(jù)對象。實時數(shù)據(jù)庫是MCGS工程的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理中心。數(shù)據(jù)對象是構成實時數(shù)據(jù)庫的基本單元，建立實時數(shù)據(jù)庫的過程也就是定義數(shù)據(jù)對象的過程。定義數(shù)據(jù)對象的內(nèi)容主要包括：指定數(shù)據(jù)變量的名稱、類型、初始值和數(shù)值范圍，確定與數(shù)據(jù)變量存盤相關的參數(shù)。表1是液位控制系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)對象。

表1液位控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)對象

(4)動畫連接。由圖形對象繪制而成的圖形畫面是靜止不動的，需要對這些圖形對象進行動畫設計，才能真實地描述外界對象的狀態(tài)變化，達到過程實時監(jiān)控的目的。MCGS實現(xiàn)圖形動畫設計的主要方法是將用戶窗口中圖形對象與實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對象建立相關性鏈接，并設置相應的動畫屬性。

項目名稱，指定存盤數(shù)據(jù)庫文件的名稱及存盤數(shù)據(jù)庫，設定動畫刷新的周期。

(4)動畫連接。由圖形對象繪制而成的圖形畫面是靜止不動的，需要對這些圖形對象進行動畫設計，才能真實地描述外界對象的狀態(tài)變化，達到過程實時監(jiān)控的目的。MCGS實現(xiàn)圖形動畫設計的主要方法是將用戶窗口中圖形對象與實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對象建立相關性鏈接，并設置相應的動畫屬性。

    在系統(tǒng)運行過程中，圖形對象的外觀和狀態(tài)特征，由數(shù)據(jù)對象的實時采集值驅(qū)動，從而實現(xiàn)圖形的動畫效果。

(5)編寫控制流程。在運行策略窗口內(nèi)，從策略構建箱中選擇所需功能策略構件，構成各種功能模塊，由這些模塊實現(xiàn)各種人機交互操作。對于復雜的系統(tǒng)，正確的編寫腳本程序，可以簡化組態(tài)過程，大大提高工作效率，優(yōu)化控制過程哺。引。液位控制系統(tǒng)部分的腳本程序如下：

IF選擇開關=1 AND低液位傳感器=0 AND正常液位傳感器=0 AND高液位傳感器=0 THEN水泵1開關=1水泵開關2=1水泵開關3=1ENDIF

(6)運行調(diào)試。系統(tǒng)組態(tài)完成后首先進行組態(tài)檢查，在確認沒有錯誤的情況下進入運行環(huán)境。

3控制程序設計

3．1控制程序流程圖

控制程序流程見圖3。

圖3控制程序流程圖

3．2 PLC編程說明

由于在組態(tài)過程中使用了腳本程序，使得PLC控制程序得到了很大的簡化。

(1)系統(tǒng)具有自動、手動2種控制方法?？煞?段設定和顯示，在最低液位時自動啟泵，當液位到達設定值時自動停泵。

(2)采用電容式接近開關檢測液位時，當液位到達檢測點時其觸點閉合，指示燈點亮；液位離開檢測點時其觸點打開。為保證相應測量段的指示燈不立即熄滅，同時不受液位波動的影響，每段指示燈的控制均采用自鎖形式，只有當液位上升或下降到相鄰段時指示燈才熄滅。

(3)當液位到達檢測點時，液位指示燈閃爍，由于燈光采用定時器，故計數(shù)器以1 S為周期閃爍；若液位到達設定值時，自動停泵，并設置蜂鳴器報警，報警聲設計為響3 S、停1 S，循環(huán)20 S后自停，或在20 S內(nèi)按確認按鈕關閉蜂鳴器，指示燈傳平光。

(4)手動控制時，在最高位時不能啟泵，最低位時不能停泵。

4結束語

    本實驗系統(tǒng)采用PLC作為系統(tǒng)控制核心，并融人組態(tài)技術，組成了結構緊湊的現(xiàn)場監(jiān)控型自動控制系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的實時管理和操作效率。學生在實驗過程中可以完成硬件系統(tǒng)的設計、連接和軟件程序的編制。實踐證明，該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、重組性好、便于升級擴充等優(yōu)點，非常適合學生自主動手實驗，并可以以此為基礎進行更深入的研究。